Interruptor de alta tensión

Voltaje de arco en interruptores de circuito de gas

En los interruptores de circuito de gas, el voltaje de arco es un parámetro crítico que influye en el proceso de interrupción y en el rendimiento general del interruptor. El voltaje de arco puede variar desde unos pocos cientos de voltios hasta varios kilovoltios, dependiendo de diversos factores. A continuación se presenta una explicación detallada de los factores clave que afectan el voltaje de arco:

1. Longitud del arco

• Principio: La caída de tensión a través del arco es directamente proporcional a la longitud del arco. A medida que aumenta la longitud del arco, también aumenta el voltaje necesario para mantenerlo.

• Explicación: Cuando los contactos en un interruptor de circuito de gas se separan, se forma un arco entre ellos. La longitud del arco puede ser mucho mayor que la brecha inicial de contacto debido al movimiento del arco (estiramiento del arco) influido por campos magnéticos o flujo de gas. Cuanto más largo sea el arco, mayor será la caída de tensión a través de él, lo que facilita la extinción del arco porque se requiere más energía para mantenerlo.

2. Tipo de gas

• Principio: El voltaje de arco depende de las propiedades físicas del medio gaseoso circundante, como su presión, temperatura y estado de ionización.

• Explicación: Diferentes gases tienen diferentes resistencias dieléctricas y conductividades térmicas, lo que afecta la facilidad con la que el arco se puede mantener. Por ejemplo, el hexafluoruro de azufre (SF₆) se utiliza comúnmente en interruptores de circuito de alta tensión debido a sus excelentes propiedades aislantes y su capacidad para desionizarse rápidamente después de que la corriente pasa por cero. Los gases con mayor resistencia dieléctrica requieren voltajes más altos para mantener el arco, lo que ayuda en la extinción del arco.

3. Material de contacto

• Principio: El material de los contactos de arco tiene una influencia menor en el voltaje de arco, afectando principalmente la caída de tensión en las regiones del ánodo y del cátodo.

• Explicación: La principal caída de tensión en un arco gaseoso ocurre a través del cuerpo del arco mismo, no en las superficies de contacto. Sin embargo, el material de contacto puede influir en la caída de tensión local cerca del ánodo y del cátodo, conocida como caída del cátodo y del ánodo. Materiales con funciones de trabajo más bajas (por ejemplo, cobre, plata) tienden a tener caídas de cátodo menores, pero este efecto es relativamente pequeño en comparación con el voltaje total del arco. Por lo tanto, la elección del material de contacto tiene un impacto marginal en el voltaje total del arco.

4. Enfriamiento del arco

• Principio: La potencia interna del arco es el producto de la corriente y el voltaje de arco. Si el arco pierde más calor debido al enfriamiento, aumentará su potencia incrementando el voltaje de arco.

• Explicación: El enfriamiento del arco puede ocurrir a través de conducción, convección y radiación. En los interruptores de circuito de gas, el flujo de gas (a menudo inducido por mecanismos de soplado o bobinas de soplado magnético) ayuda a enfriar el arco y reducir su temperatura. A medida que el arco se enfría, se vuelve menos conductor, lo que lleva a un aumento en el voltaje de arco. Este aumento de voltaje hace que sea más difícil para el arco mantenerse, ayudando en su extinción.

5. Corriente a través del arco

• Principio: Los arcos gaseosos exhiben una característica de voltamperios negativa, lo que significa que el voltaje de arco aumenta a medida que disminuye la corriente y viceversa.

• Explicación: A medida que la corriente se acerca a cero durante el cruce de cero corriente, el voltaje de arco tiende a aumentar bruscamente. Esto se debe a que el arco se vuelve menos estable a corrientes bajas, y el número reducido de portadores de carga conduce a una resistencia mayor, resultando en una mayor caída de tensión. Por el contrario, a corrientes más altas, el arco es más estable y la caída de tensión es menor. Este comportamiento es importante para entender cómo se comporta el arco cerca del cero de corriente, donde la interrupción exitosa es crítica.

6. Excursiones y colapsos aleatorios del voltaje de arco cerca del cero de corriente

• Principio: Cerca del cruce de cero corriente, el voltaje de arco exhibe excursiones y colapsos aleatorios, que son críticos para la extinción del arco.

• Explicación: A medida que la corriente se acerca a cero, el arco se vuelve cada vez más inestable. El voltaje de arco puede fluctuar aleatoriamente debido a los cambios rápidos en el estado físico del arco, como la densidad de partículas cargadas y la temperatura. Estas fluctuaciones pueden causar que el voltaje de arco suba repentinamente, llevando a un colapso del arco. Si el voltaje de arco aumenta suficientemente, puede superar la tensión de recuperación del sistema, causando la extinción del arco. Este fenómeno es crucial para asegurar que el arco se interrumpa con éxito en el cero de corriente.

Resumen

El voltaje de arco en interruptores de circuito de gas está influenciado por varios factores, incluyendo la longitud del arco, el tipo de gas, el material de contacto, los efectos de enfriamiento y la corriente a través del arco. El voltaje de arco juega un papel vital en el proceso de interrupción, especialmente cerca del cero de corriente, donde las excursiones y colapsos aleatorios pueden determinar si el arco se extingue con éxito. Comprender estos factores es esencial para diseñar e operar interruptores de circuito de gas eficientes y confiables.